DE112023002220T5 - Machining simulation device and machining simulation method - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Offenbarung stellt eine Bearbeitungssimulationsvorrichtung bereit, die eine Werkzeugmaschinen-Übertragungsfunktion erhalten kann, ohne eine Datensammlung und Expertenwissen zu erfordern. Die Bearbeitungssimulationsvorrichtung umfasst: eine Übertragungskennlinien-Erzeugungseinheit, die eine Übertragungskennlinie einer Werkzeugmaschine erzeugt; und eine Simulationsausführungseinheit, die ein Verhalten der Werkzeugmaschine unter Verwendung der Übertragungskennlinie simuliert. Die Übertragungskennlinien-Erzeugungseinheit umfasst: eine Steuerungsinformation-Bezugseinheit, die Motorinformationen und einen Steuerungsparameter eines Motorsteuerungssystems der Werkzeugmaschine bezieht; eine Motorkennlinien-Berechnungseinheit, die eine Motorkennlinie basierend auf den Motorinformationen berechnet; eine Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit, die eine Steuerungskennlinie des Motorsteuerungssystems basierend auf dem Steuerungsparameter berechnet; und eine Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit, die die Übertragungskennlinie, die eine vorgegebene Anforderung erfüllt, basierend auf der Motorkennlinie und der Steuerungskennlinie berechnet. The present disclosure provides a machining simulation apparatus that can obtain a machine tool transfer function without requiring data collection and expert knowledge. The machining simulation apparatus includes: a transfer characteristic generation unit that generates a transfer characteristic of a machine tool; and a simulation execution unit that simulates a behavior of the machine tool using the transfer characteristic. The transfer characteristic generation unit includes: a control information acquisition unit that acquires motor information and a control parameter of a motor control system of the machine tool; a motor characteristic calculation unit that calculates a motor characteristic based on the motor information; a control characteristic calculation unit that calculates a control characteristic of the motor control system based on the control parameter; and a transfer characteristic calculation unit that calculates the transfer characteristic that meets a predetermined requirement based on the motor characteristic and the control characteristic.
Description
Technisches GebietTechnical area
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Bearbeitungssimulationsvorrichtung und ein Bearbeitungssimulationsverfahren und insbesondere eine Bearbeitungssimulationsvorrichtung und ein Bearbeitungssimulationsverfahren zur Stimulierung des Verhaltens einer Werkzeugmaschine unter Verwendung einer Übertragungsfunktion, die die Übertragungskennlinie der Werkzeugmaschine repräsentiert.The present disclosure relates to a machining simulation apparatus and a machining simulation method, and more particularly to a machining simulation apparatus and a machining simulation method for stimulating the behavior of a machine tool using a transfer function representing the transfer characteristic of the machine tool.
Stand der TechnikState of the art
Techniken zur Stimulierung des Verhaltens einer Werkzeugmaschine und Verwendung einer Übertragungsfunktion, die die Übertragungskennlinie der Werkzeugmaschine repräsentiert, sind in den Patentdokumenten 1 bis 4 offenbart.Techniques for stimulating the behavior of a machine tool and using a transfer function representing the transfer characteristic of the machine tool are disclosed in
Patentdokument 1 offenbart ein numerisches Steuerungsverfahren, das eine Bearbeitung in einer kurzen Zeit ohne Verursachen eines Schadens an der Bearbeitungsoberfläche ermöglicht, selbst wenn der Befehlspfad einen Fehler enthält. Insbesondere offenbart Patentdokument 1 ein numerisches Steuerungsverfahren, das eine Bahn eines Bearbeitungswerkzeugs vorhersagt, basierend auf den Übertragungskennlinien von der Sollwertposition zu der Bearbeitungsposition in einem Fall, in welchem die Geschwindigkeit der Werkzeugmaschine mit dem Befehlspfad und der befohlenen Vorschubgeschwindigkeit gesteuert wird, die in dem Bearbeitungsprogramm spezifiziert sind. Das Verfahren berechnet die zulässige Vorschubgeschwindigkeit basierend auf den charakteristischen Größen, die die zeitlichen Änderungen der Position des Bearbeitungswerkzeugs entlang der vorhergesagten Bahn repräsentieren und die zulässigen Werte davon. Die charakteristischen Größen umfassen die Beschleunigung oder die Normalkomponente der Beschleunigung des Bearbeitungswerkzeugs entlang der vorhergesagten Bahn.
Patentdokument 2 offenbart eine Bearbeitungssimulationsvorrichtung, die das Auftreten von Rattern verhindert, das durch Resonanz verursacht wird und Oberflächengenauigkeit, etc. verbessert. Insbesondere offenbart Patentdokument 2 eine Bearbeitungssimulationsvorrichtung, die eine Bearbeitungssimulation an Grafikdaten vor einer tatsächlichen Bearbeitung ausführt, unter Simulation der Frequenz erzwungener Schwingungen, die durch intermittierendes Schneiden verursacht werden und/oder der Frequenz von Lastschwankungen, basierend auf Bearbeitungsinformationen unter Verwendung von Bearbeitungssimulationsmitteln. Basierend auf der aus der Simulation erhaltenen Frequenz wird ein numerischer Steuerungsbefehl durch numerische Steuerungsbefehl-Erzeugungsmittel erzeugt. Patentdokument 2 offenbart ebenfalls, dass die Bearbeitungssimulationsvorrichtung eine Berücksichtigung der Spindeldrehzahl bei der tatsächlichen Bearbeitung und bei der Erzeugung des Bearbeitungsprogramms unter Bedingungen zulässt, die der tatsächlichen Bearbeitung entsprechen. Als Folge davon nähern sich die Frequenz erzwungener Schwingungen, die durch intermittierendes Schneiden verursacht werden und/oder die Frequenz von Lastschwankungen oder die harmonischen Frequenzen nicht der Eigenschwingungsfrequenz der Maschine, des Werkzeugs, der Spannvorrichtung oder des Werkstücks an, wodurch das Auftreten von durch Resonanz verursachtem Rattern verhindert wird.Patent Document 2 discloses a machining simulation device that prevents the occurrence of chatter caused by resonance and improves surface accuracy, etc. Specifically, Patent Document 2 discloses a machining simulation device that performs machining simulation on graphic data before actual machining, simulating the frequency of forced vibration caused by intermittent cutting and/or the frequency of load fluctuations based on machining information using machining simulation means. Based on the frequency obtained from the simulation, a numerical control command is generated by numerical control command generation means. Patent Document 2 also discloses that the machining simulation device allows consideration of the spindle speed in actual machining and in the generation of the machining program under conditions corresponding to actual machining. As a result, the frequency of forced vibrations caused by intermittent cutting and/or the frequency of load fluctuations or harmonic frequencies do not approach the natural vibration frequency of the machine, tool, fixture or workpiece, thus preventing the occurrence of chatter caused by resonance.
Patentdokument 3 offenbart ein Verarbeitungsverfahren, das den Erhalt von Korrekturdaten in einer kurzen Zeit ermöglicht. Insbesondere offenbart Patentdokument 3 ein Verarbeitungsverfahren zur Bearbeitung eines nicht-kreisförmigen Werkstücks, bei dem die Profildaten des nicht-kreisförmigen Werkstücks in Daten für die Werkstückspindel und die Werkzeugzugspindel getrennt werden und jeder Datensatz Fourier-transformiert wird. Ein erster Schritt führt eine Fourier-Transformation an jeden Daten aus und berechnet die Verstärkung und Phase für jede Frequenz. Ein zweiter Schritt berechnet die Verstärkung und Phase für jede Frequenz basierend auf der Übertragungsfunktion der Konturbearbeitungs-Spindelvorrichtung und der Übertragungsfunktion der Werkzeugzugspindelvorrichtung. Ein dritter Schritt addiert die Verstärkung und Phase für jede Frequenz, die in dem zweiten Schritt erhalten werden, mit der Verstärkung und Phase für jede Frequenz, die in dem ersten Schritt erhalten werden, für die Werkstückspindel und die Werkzeugzugspindel. Ein vierter Schritt führt eine inverse Fourier-Transformation an den Frequenzdaten für die Werkstückspindel und die Werkzeugzugspindel für das nicht-kreisförmige Werkstück aus, die in dem dritten Schritt erhalten werden. Ein fünfter Schritt erzeugt Korrekturdaten, welche die Bearbeitungsdaten für die Werkstückspindel und die Werkzeugzugspindel des nicht-kreisförmigen Werkstücks sind, die in dem vierten Schritt erhalten werden. Eine Bearbeitung des nicht-kreisförmigen Werkstücks wird dann basierend auf den Korrekturdaten ausgeführt.
Patentdokument 4 offenbart eine Bearbeitungssimulationsvorrichtung für eine Werkzeugmaschine, bei der eine Bearbeitungssimulation mit hoher Genauigkeit ausgeführt werden kann, während eine Zunahme der Zeit verhindert wird. Insbesondere offenbart Patentdokument 4 eine Bearbeitungssimulationsvorrichtung, die die Bearbeitung eines Werkstücks mit einer Werkzeugmaschine simuliert, basierend auf einem Bearbeitungsprogramm, unter Verwendung des Werkzeugs zur Bearbeitung des Werkstücks. Die Vorrichtung umfasst: eine Maschinensimulationseinheit, die die Position des Werkzeugs abschätzt, indem die Bewegung der Werkzeugmaschine basierend auf den Positionsbefehlen und den Übertragungskapazitäten der Werkzeugmaschine bei Betrieb in Übereinstimmung mit dem Bearbeitungsprogramm simuliert wird; und eine Bearbeitungssimulationseinheit, die die Bearbeitung des Werkstücks basierend auf den Werkzeuginformationen und der abgeschätzten Position des Werkzeugs simuliert.Patent Document 4 discloses a machining simulation device for a machine tool, in which machining simulation can be performed with high accuracy while preventing an increase in time. Specifically, Patent Document 4 discloses a machining simulation device that simulates machining of a workpiece with a machine tool based on a machining program, using the tool to machine the workpiece. The device includes: a machine simulation unit that estimates the position of the tool by simulating the movement of the machine tool based on the position commands and the transmission capabilities of the machine tool when operating in accordance with the machining program; and a machining simulation unit that simulates machining of the workpiece based on the tool information and the estimated position of the tool.
ZitierlisteCitation list
Patentdokumentpatent document
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Patent Dokument 1: japanische nicht-geprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.
2001-051708 2001-051708 -
Patent Dokument 2: Internationale PCT-Veröffentlichung Nr.
WO 2002/003155 WO 2002/003155 -
Patentdokument 3: japanische nicht-geprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.
2002-278609 2002-278609 -
Patentdokument 4: japanische nicht-geprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr.
2019-152936 2019-152936
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Von der Erfindung zu lösende ProblemeProblems to be solved by the invention
Um eine Bearbeitungssimulation auszuführen, erfordert ein Erhalten der Übertragungsfunktion einer Werkzeugmaschine eine Datensammlung begleitet von einem Versuchsbetrieb der Werkzeugmaschine und Spezialwissen zur Analyse der gesammelten Daten und Berechnung der Übertragungskennlinie. Daher ist es erwünscht, die Übertragungsfunktion einer Werkzeugmaschine zu erhalten, ohne eine von einem Versuchsbetrieb begleitete Datensammlung oder Spezialwissen zu erfordern, um die Übertragungskennlinie zu berechnen.To perform machining simulation, obtaining the transfer function of a machine tool requires data collection accompanied by trial operation of the machine tool and specialized knowledge to analyze the collected data and calculate the transfer characteristic. Therefore, it is desirable to obtain the transfer function of a machine tool without requiring data collection accompanied by trial operation or specialized knowledge to calculate the transfer characteristic.
Mittel zum Lösen der ProblemeMeans to solve the problems
Ein repräsentativer erster Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Bearbeitungssimulationsvorrichtung, die umfasst: eine Übertragungskennlinien-Erzeugungseinheit, die eine Übertragungskennlinie einer Werkzeugmaschine erzeugt; und eine Simulationsausführungseinheit, die ein Verhalten der Werkzeugmaschine unter Verwendung der Übertragungskennlinie simuliert. Die Übertragungskennlinien-Erzeugungseinheit umfasst: eine Steuerungsinformationsbezugseinheit, die Steuerungsinformationen, die Motorinformationen der Werkzeugmaschine und einen Steuerungsparameter eines Motorsteuerungssystems der Werkzeugmaschine umfassen, aus einer Speichereinheit bezieht; eine Motorkennlinien-Berechnungseinheit, die eine Motorkennlinie basierend auf den Motorinformationen berechnet; eine Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit, die eine Steuerungskennlinie des Motorsteuerungssystems basierend auf dem Steuerungsparameter berechnet; und eine Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit, die die Übertragungskennlinie berechnet, die eine vorgegebene Anforderung erfüllt, basierend auf der Motorkennlinie und der Steuerungskennlinie. Die vorgegebene Anforderung umfasst mindestens eines von einer Antwortfrequenz einer Positionssteuerung, einer Antwortfrequenz einer Geschwindigkeitssteuerung, einer Eigenfrequenz der Werkzeugmaschine oder einer Resonanzfrequenz zwischen einer Antriebseinheit und einer angetriebenen Einheit der Werkzeugmaschine.A representative first aspect of the present disclosure is a machining simulation apparatus comprising: a transmission characteristic generation unit that generates a transmission characteristic of a machine tool; and a simulation execution unit that simulates a behavior of the machine tool using the transmission characteristic. The transmission characteristic generation unit includes: a control information acquisition unit that acquires control information including motor information of the machine tool and a control parameter of a motor control system of the machine tool from a storage unit; a motor characteristic calculation unit that calculates a motor characteristic based on the motor information; a control characteristic calculation unit that calculates a control characteristic of the motor control system based on the control parameter; and a transmission characteristic calculation unit that calculates the transmission characteristic that meets a predetermined requirement based on the motor characteristic and the control characteristic. The specified requirement includes at least one of a response frequency of a position controller, a response frequency of a speed controller, a natural frequency of the machine tool, or a resonance frequency between a drive unit and a driven unit of the machine tool.
Ein repräsentativer zweiter Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist ein Bearbeitungssimulationsverfahren, das einen Computer veranlasst, die folgende Verarbeitung auszuführen: Berechnen einer Motorkennlinie basierend auf Motorinformationen einer Werkzeugmaschine; Berechnen einer Steuerungskennlinie eines Motorsteuerungssystems basierend auf einem Steuerungsparameter des Motorsteuerungssystems der Werkzeugmaschine; Berechnen einer Übertragungskennlinie, die eine vorgegebene Anforderung erfüllt, basierend auf der Motorkennlinie und der Steuerungskennlinie; und Simulieren eines Verhaltens der Werkzeugmaschine unter Verwendung der Übertragungskennlinie. Die vorgegebene Anforderung umfasst mindestens eines von einer Antwortfrequenz eine Positionssteuerung, einer Antwortfrequenz einer Geschwindigkeitssteuerung, einer Eigenfrequenz der Werkzeugmaschine oder einer Resonanzfrequenz zwischen einer Antriebseinheit und einer angetriebenen Einheit der Werkzeugmaschine.A representative second aspect of the present disclosure is a machining simulation method that causes a computer to perform the following processing: calculating a motor characteristic based on motor information of a machine tool; calculating a control characteristic of a motor control system based on a control parameter of the motor control system of the machine tool; calculating a transfer characteristic that satisfies a predetermined requirement based on the motor characteristic and the control characteristic; and simulating a behavior of the machine tool using the transfer characteristic. The predetermined requirement includes at least one of a response frequency of a position controller, a response frequency of a speed controller, a natural frequency of the machine tool, or a resonance frequency between a drive unit and a driven unit of the machine tool.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenShort description of the drawings
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1 ist eine Konfigurationszeichnung, die ein Beispiel der Konfiguration eines Bearbeitungssimulationssystems für eine Werkzeugmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt.1 is a configuration drawing illustrating an example of the configuration of a machining simulation system for a machine tool according to an embodiment of the present invention. -
2 ist eine Zeichnung, die die Antriebseinheit und die angetriebene Einheit der Werkzeugmaschine unter Verwendung eines Starrkörpermodells darstellt.2 is a drawing showing the drive unit and driven unit of the machine tool using a rigid body model. -
3 ist eine Zeichnung, die die Antriebseinheit und die angetriebene Einheit einer Werkzeugmaschine unter Verwendung eines Zweiträgheitssystemmodells darstellt.3 is a drawing illustrating the drive unit and driven unit of a machine tool using a dual inertia system model. -
4 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Positionsregelkreises darstellt, wenn das Motorsteuerungssystem, die Antriebseinheit und die angetriebene Einheit einen Positionsregelkreis bilden.4 is a block diagram showing the configuration of a position control loop when the motor control system, the drive unit, and the driven unit form a position control loop. -
5 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines vereinfachten Positionsregelkreises darstellt.5 is a block diagram illustrating the configuration of a simplified position control loop. -
6 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Geschwindigkeitsregelkreises darstellt, wenn das Motorsteuerungssystem, die Antriebseinheit und die angetriebene Einheit einen Geschwindigkeitsregelkreis bilden.6 is a block diagram showing the configuration of a speed control loop when the motor control system, the drive unit, and the driven unit form a speed control loop. -
7 ist ein Kennliniendiagramm, das die Frequenzgangverstärkung einer Übertragungsfunktion darstellt.7 is a characteristic diagram that represents the frequency response gain of a transfer function. -
8 ist ein Kennliniendiagramm, das ein Beispiel der Frequenzgangverstärkung einer Geschwindigkeit-PI-Regelung darstellt.8 is a characteristic diagram showing an example of the frequency response gain of a speed PI control. -
9 ist ein Kennliniendiagramm, das ein Beispiel der Frequenzgangverstärkung einer Geschwindigkeit-P-Regelung darstellt.9 is a characteristic diagram showing an example of the frequency response gain of a speed-P control. -
10 ist eine Zeichnung, die ein Beispiel einer Benutzerschnittstelle darstellt, die auf einem Bildschirm eines Personal Computers angezeigt wird.10 is a drawing that shows an example of a user interface displayed on a personal computer screen. -
11 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb der Bearbeitungssimulationsvorrichtung darstellt.11 is a flowchart illustrating the operation of the machining simulation device.
Bevorzugte Form zur Ausführung der ErfindungPreferred form for carrying out the invention
Nachfolgend wird eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung detailliert unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
Wie in
Die Werkzeugmaschinen-Steuerungsvorrichtung 100 steuert die Bewegung der Zugspindel und die Drehung der Hauptwelle der Werkzeugmaschine basierend auf einem Bearbeitungsprogramm. Die Steuerungsvorrichtung 100 umfasst einen Motor, der als Antriebseinheit der Werkzeugmaschine dient, eine angetriebene Einheit und ein Motorsteuerungssystem, das den Motor steuert. Die Steuerungsvorrichtung 100 speichert Motorinformationen der Werkzeugmaschine und einen Steuerungsparameter des Motorsteuerungssystems in einer Speichereinheit 101. Die Motorinformationen und der Steuerungsparameter werden später beschrieben. Die Motorinformationen der Werkzeugmaschine und der Steuerungsparameter können in einer von der Steuerungsvorrichtung 100 getrennten Speichereinheit gespeichert werden. Die Speichereinheit kann innerhalb der Bearbeitungssimulationsvorrichtung 200 bereitgestellt werden. In einem Fall, in welchem die Speichereinheit getrennt von der Steuerungsvorrichtung 100 bereitgestellt wird, muss das Bearbeitungssimulationssystem 10 die Werkzeugmaschinen-Steuerungsvorrichtung 100 nicht umfassen.The machine
Die Bearbeitungssimulationsvorrichtung 200 umfasst eine Übertragungskennlinien-Erzeugungseinheit 210 und eine Simulationsausführungseinheit 220. Die Übertragungskennlinien-Erzeugungseinheit 210 berechnet die Übertragungsfunktion der Werkzeugmaschine unter Verwendung der Motorinformationen und des Steuerungsparameters, die von der Speichereinheit 101 der Werkzeugmaschinen-Steuerungsvorrichtung 100 erhalten werden. Die Simulationsausführungseinheit 220 verwendet die berechnete Übertragungsfunktion, um die von der Werkzeugmaschinen-Steuerungsvorrichtung 100 basierend auf dem Bearbeitungsprogramm ausgeführte Steuerung zu simulieren, das Verhalten des Motors als Antriebseinheit und der angetriebenen Einheit und der Regelung der Steuerungsvorrichtung 100 basierend auf den Positionsinformationen der Antriebseinheit und der angetriebenen Einheit (beispielsweise der in
Die Übertragungskennlinien-Erzeugungseinheit 210 umfasst eine Steuerungsinformation-Bezugseinheit 211, eine Motorkennlinien-Berechnungseinheit 212, eine Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit 213 und eine Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214. Jede Konfiguration der Übertragungskennlinien-Erzeugungseinheit 210 wird unten beschrieben.The transfer
(Steuerungsinformation-Bezugseinheit 211)(Control information acquisition unit 211)
Die Steuerungsinformation-Bezugseinheit 211 bezieht Steuerungsinformationen, die Motorinformationen und einen Steuerungsparameter umfassen, von der Speichereinheit 101 der Werkzeugmaschinen-Steuerungsvorrichtung 100. Die Motorinformationen umfassen beispielsweise mindestens eines von einer Motorträgheit, dem Trägheitsverhältnis oder der Federkonstante, die alle von dem Motor verursacht werden. Das Trägheitsverhältnis betrifft das Verhältnis der Lastträgheit zur Motorträgheit. Die Lastträgheit wird ebenfalls als Lastträgheit bezeichnet. Die Motorträgheit kann ebenfalls die Trägheit des Getriebes und der Kugelspindel umfassen. Der Steuerungsparameter umfasst beispielsweise mindestens eines von der Positionssteuerung-Proportionalverstärkung KP der Positionssteuerungseinheit, die in dem Motorsteuerungssystem der Steuerungsvorrichtung 100 enthalten ist, der Geschwindigkeitskreisverstärkung KV, der Geschwindigkeitssteuerung-Integralverstärkung K1 der Geschwindigkeitssteuerungseinheit oder der Geschwindigkeitssteuerung-Proportionalverstärkung K2 der Geschwindigkeitssteuerungseinheit. Die Speichereinheit 101 kann die Motorträgheit als Teil der Spezifikations- oder Motorkennliniendatenbank speichern. In diesem Fall bezieht die Steuerungsinformation-Bezugseinheit 211 Informationen, die eine Identifizierung des Motors ermöglichen, wie beispielsweise das Motormodell, von der Speichereinheit 101 und bezieht sich auf die Spezifikations- oder Motorkennliniendatenbank, um die Motorträgheit zu beziehen.The control
(Motorkennlinien-Berechnungseinheit 212)(Engine characteristic calculation unit 212)
Die Motorkennlinien-Berechnungseinheit 212 berechnet eine Motorkennlinie basierend auf Motorinformationen. Wenn das mechanische Modell des Motors, der als Antriebseinheit der Werkzeugmaschine dient, und der angetriebenen Einheit durch das in
Wenn das mechanische Modell des Motors, der als Antriebseinheit der Werkzeugmaschine dient und der angetriebenen Einheit durch das in
Die Eigenfrequenz ω0 und Resonanzfrequenz ωP in Gleichung 2 werden durch Gleichung 3 (nachfolgend als „Gleichung 3“ bezeichnet) unter Verwendung der Motorträgheit JM, dem Trägheitsverhältnis R und der Federkonstante KS des Federelements zwischen der Motorträgheit und der Lastträgheit angegeben.
Die Eigenfrequenz ω0 des Zweiträgheitssystemmodells ist die Eigenfrequenz der freien Schwingung der angetriebenen Einheit, wenn die Antriebseinheit feststeht und kann als Anti-Resonanzfrequenz in manchen Fällen bezeichnet werden. Die Resonanzfrequenz ωP des Zweiträgheitssystemmodells ist die Frequenz, bei der die Antriebseinheit und die angetriebene Einheit in entgegengesetzten Phasen schwingen.The natural frequency ω 0 of the dual inertia system model is the natural frequency of the free vibration of the driven unit when the drive unit is stationary and can be referred to as the anti-resonance frequency in some cases. The resonant frequency ω P of the dual inertia system model is the frequency at which the drive unit and the driven unit oscillate in opposite phases.
Die Übertragungsfunktion der Motorträgheit und Lastträgheit, die von einem Federelement verbunden werden, ist beispielsweise offenbart in: „
(Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit 213)(Control characteristic calculation unit 213)
Die Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit 213 berechnet die Steuerungskennlinie des Motorsteuerungssystems basierend auf einem Steuerungsparameter. In einem Fall, in welchem das Motorsteuerungssystem, die Antriebseinheit und die angetriebene Einheit, die in der Steuerungsvorrichtung 100 enthalten sind, einen Positionsregelkreis bilden, wird der Positionsregelkreis von dem in
Da die Antwortfrequenz des Positionsregelkreises niedriger als die Antwortfrequenz des inneren Geschwindigkeitsregelkreises sein muss, kann der Positionsregelkreis auf die in
In einem Fall, in welchem das Motorsteuerungssystem, die Antriebseinheit und die angetriebene Einheit, die in der Steuerungsvorrichtung 100 enthalten sind, einen Geschwindigkeitsregelkreis bilden, wird der Geschwindigkeitsregelkreis von dem in
Die Steuerungskennlinie CV der Geschwindigkeitssteuerungseinheit 112, die als Motorsteuerungssystem dient, wird im Falle der Geschwindigkeit-PI-Regelung durch Gleichung 4 (nachfolgend als „Gleichung 4“ bezeichnet) angegeben. In Gleichung 4 ist KV die Geschwindigkeitskreisverstärkung, K1 ist die Geschwindigkeitssteuerung-Integralverstärkung und K2 ist die Geschwindigkeitssteuerung-Proportionalverstärkung. Die Steuerungsparameter sind die Geschwindigkeitskreisverstärkung KV, die Geschwindigkeitssteuerung-Integralverstärkung K1 und die Geschwindigkeitssteuerung-Proportionalverstärkung K2.
In dem Fall der Geschwindigkeit-P-Regelung, wird die Steuerungskennlinie CV der Geschwindigkeitssteuerungseinheit durch Festlegen von K1=0 und K2=1 in Gleichung 4 erhalten, was zu CV=KV führt. Der Steuerungsparameter ist die Geschwindigkeitskreisverstärkung KV.In the case of speed-P control, the control characteristic C V of the speed control unit is obtained by setting K 1 =0 and K 2 =1 in Equation 4, resulting in C V =K V . The control parameter is the speed loop gain K V .
(Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214)(Transfer characteristic calculation unit 214)
Die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 berechnet die Übertragungskennlinie der Werkzeugmaschine durch Änderung von mindestens einer der von der Motorkennlinien-Berechnungseinheit 212 berechneten Motorkennlinie oder der von der Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit 213 berechneten Steuerungskennlinie, um eine vorgegebene Anforderung zu erfüllen. Die vorgegebene Anforderung umfasst mindestens eines der Antwortfrequenz der Positionssteuerung, der Antwortfrequenz der Geschwindigkeitssteuerung, der Eigenfrequenz der Werkzeugmaschine oder der Resonanzfrequenz zwischen der Antriebseinheit und der angetriebenen Einheit der Werkzeugmaschine. Die vorgegebene Anforderung wird später beschrieben. Der Wert der vorgegebenen Anforderung kann von dem Nutzer bereitgestellt werden oder kann von der Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 aus der Speichereinheit 101 der Steuerungsvorrichtung 100 bezogen werden, einer außerhalb der Steuerungsvorrichtung 100 bereitgestellten Speichereinheit oder einer innerhalb der Bearbeitungssimulationsvorrichtung bereitgestellten Speichereinheit.The transfer
Zuerst wird die Übertragungskennlinie der Werkzeugmaschine beschrieben. Die geschlossene Regelkreis-Übertragungsfunktion GC wird als GC=GO/(1+GO) ausgedrückt, wobei GO die geschlossene Regelkreis-Übertragungsfunktion ist.First, the transfer characteristic of the machine tool is described. The closed-loop transfer function G C is expressed as G C = G O /(1 + G O ), where G O is the closed-loop transfer function.
Die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 berechnet die geschlossene Regelkreis-Übertragungsfunktion GPC(s) für den Positionsregelkreis und die geschlossene Regelkreis-Übertragungsfunktion GVC(s) für den Geschwindigkeitsregelkreis wie folgt. Die geschlossene Regelkreis-Übertragungsfunktion GPC(s) für den Positionsregelkreis, wobei die offene Regelkreis-Übertragungsfunktion GPO(s) des Positionsregelkreises GPO(s)=KP/s ist, wie in
Die geschlossene Regelkreis-Übertragungsfunktion GVC(s) für den Geschwindigkeitsregelkreis im Falle der Geschwindigkeit-PI-Regelung wird durch Gleichung 7 (nachfolgend als „Gleichung 7“ bezeichnet) angegeben, wobei die offene Regelkreis-Übertragungsfunktion GVO(s) durch Gleichung 6 (nachfolgend als „Gleichung 6“ bezeichnet) angegeben wird. In den Gleichungen 6 und 7 repräsentiert M die Motorkennlinie, wobei M=M1, wenn das mechanische Modell durch das Starrkörpersystemmodel repräsentiert wird und M=M2, wenn das mechanische Modell durch das Zweiträgheitssystemmodell repräsentiert wird.
Im Falle der Geschwindigkeit-P-Regelung wird die geschlossene Regelkreis-Übertragungsfunktion GVC(s) für den Geschwindigkeitsregelkreis durch Festlegen von K1=0 und K2=1 in Gleichung 7 erhalten, was zu Gleichung 8 (nachfolgend als „Gleichung 8“ bezeichnet) führt.
Als nächstes wird die vorgegebene Anforderung beschrieben.Next, the given requirement is described.
(Fall, in welchem die vorgegebene Anforderung die Frequenzantwort der Positionsregelung ist)(Case where the specified requirement is the frequency response of the position control)
Wenn die Übertragungsfunktion eine rationale Funktion von s ist und der Sollwert a eine Sinuswelle mit einer Frequenz ω ist, wird die Regelgröße b ebenfalls eine Sinuswelle mit der Frequenz ω. In diesem Fall wird das Amplitudenverhältnis zwischen dem Sollwert a und der Regelgröße b als Frequenzantwortverstärkung bei der Frequenz ω bezeichnet. Die Frequenzantwortverstärkung der geschlossenen Regelkreis-Übertragungsfunktion GC(s) kann berechnet werden, indem s mit jω in Gleichung 9 (nachfolgend als „Gleichung 9“ bezeichnet) ersetzt wird. Die Einheit ist Dezibel (dB).
Im Allgemeinen ist die Frequenzantwortverstärkung einer geschlossenen Regelkreis-Übertragungsfunktion nahe 0 dB, wenn die Frequenzantwortverstärkung der offenen Regelkreis-Übertragungsfunktion 0 dB oder höher ist. Der Fall, bei dem die Frequenzantwortverstärkung der geschlossenen Regelkreis-Übertragungsfunktion nahe 0 dB (Amplitudenverhältnis von 1) ist, bedeutet, dass die Regelgröße b dem Sollwert a folgt. Daher wird die Frequenz, bei der die Frequenzantwortverstärkung der geschlossenen Regelkreis-Übertragungsfunktion 0 dB bis -3 dB schneidet (Amplitudenverhältnis von 1/Quadratwurzel von 2) oder ein lokales Maximum wird, als Antwortfrequenz der Steuerung bezeichnet. Die Frequenz, bei der die Frequenzantwortverstärkung der offenen Regelkreis-Übertragungsfunktion 0 dB schneidet, wird als Antwortfrequenz der Steuerung bezeichnet.Generally, the frequency response gain of a closed-loop transfer function is close to 0 dB when the frequency response gain of the open-loop transfer function is 0 dB or higher. The case where the frequency response gain of the closed-loop transfer function is close to 0 dB (amplitude ratio of 1) means that the controlled variable b follows the setpoint a. Therefore, the frequency at which the frequency response gain of the closed-loop transfer function crosses 0 dB to -3 dB (amplitude ratio of 1/square root of 2) or becomes a local maximum is called the control response frequency. The frequency at which the frequency response gain of the open-loop transfer function crosses 0 dB is called the control response frequency.
Indem s mit jω in der Übertragungsfunktion GPC(s) von Gleichung 5 ersetzt wird, wird Gleichung 10 (nachfolgend als „Gleichung 10“ bezeichnet) erhalten und die Antwortfrequenz ω=KP wird die Antwortfrequenz der Positionsregelung, wo 20 log |G(jω)| = -3dB ist.
(Fall, in welchem die vorgegebene Anforderung die Antwortfrequenz der Geschwindigkeitsregelung ist)(Case where the specified requirement is the response frequency of the speed control)
Wenn die Steuerungskennlinie C die Geschwindigkeit-P-Regelung ist und die Motorkennlinie M auf dem Zweiträgheitssystemmodell basiert, wird die Übertragungsfunktion des offenen Regelkreises des Geschwindigkeitsregelkreises durch Gleichung 11 (nachfolgend als „Gleichung 11“ bezeichnet) angegeben.
Die Frequenzantwortverstärkung der Übertragungsfunktion in Gleichung 11 wird in
Wie in
(Fall der Geschwindigkeit-PI-Regelung)(Case of speed PI control)
Unter Betrachtung der Geschwindigkeit-PI-Regelung als Steuerungskennlinie C und Verwendung des Starrkörpersystemmodells als Motorkennlinie M wird Gleichung 7 als Gleichung 12 (nachfolgend als „Gleichung 12“ bezeichnet) ausgedrückt.
Durch Ersetzen von s mit jω in Gleichung 12 wird Gleichung 12 als Gleichung 13 (nachfolgend als „Gleichung 13“ bezeichnet) ausgedrückt.
Die Frequenzantwortverstärkung wird durch Gleichung 14 (nachfolgend als „Gleichung 14“ bezeichnet) unter Verwendung von Gleichung 13 angegeben.
Da in Gleichung 14 die Frequenzantwortverstärkung 0 dB oder höher bis zu den Werten von Gleichung 15 (nachfolgend als „Gleichung 15“ bezeichnet) bleibt, bei der die Beträge des Nenners und Zählers gleich sind, wird die Frequenz ω von Gleichung 15 als Antwortfrequenz der Geschwindigkeit-Pl-Regelung verwendet.
(Fall der Geschwindigkeit-P-Regelung)(Case of speed-P control)
Unter Betrachtung der Geschwindigkeit-P-Regelung als Steuerungskennlinie C und Verwendung des Starrkörpersystemmodells als Motorkennlinie M wird die Frequenzantwortverstärkung erhalten, indem in Gleichung 14 K1=0 und K2=1 festgelegt wird, was zu Gleichung 16 (nachfolgend als „Gleichung 16“ bezeichnet) führt.
In Gleichung 16 ist der Wert ω in Gleichung 17 (nachfolgend als „Gleichung 17“ bezeichnet), bei dem 20 log |G(jω)| = -3dB, die Antwortfrequenz der Geschwindigkeit-P-Regelung.
(Fall, in welchem die vorgegebene Anforderung die Eigenfrequenz oder Resonanzfrequenz der Werkzeugmaschine ist)(Case where the specified requirement is the natural frequency or resonance frequency of the machine tool)
Wie oben erwähnt, wenn der Motor, der als Antriebseinheit der Werkzeugmaschine dient und die Antriebseinheit durch das in
Nachfolgendes beschreibt das Verfahren, mit dem die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 die Übertragungskennlinie der Werkzeugmaschine berechnet, um die vorgegebene Anforderung zu erfüllen. Die Übertragungskennlinien-Erzeugungseinheit 210, die in der Bearbeitungssimulationsvorrichtung 200 enthalten ist, arbeitet als Anwendungssoftware an einem Personal Computer und umfasst die in
Der Benutzer legt die vorgegebene Anforderung über ein Eingabeformular (nicht dargestellt) fest. Beispielsweise wird in
Wenn der Nutzer die „Übernehmen“-Schaltfläche drückt, wie in
Der Anzeigebildschirm zeigt die Frequenzantwort der Übertragungsfunktion des offenen Regelkreises an, die aus den Ergebnissen des Lesens der Steuerungsinformationen erhalten wird. Wenn der Benutzer die „Übernehmen“-Schaltfläche drückt und die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 die Steuerungskennlinie oder Motorkennlinie gemäß der vorgegebenen Anforderung ändert und die Übertragungsfunktion erzeugt, wird die Frequenzantwort basierend auf der erzeugten Übertragungskennlinie aktualisiert. Anstelle der Aktualisierung der Frequenzantwort kann die Frequenzantwort basierend auf der erzeugten Übertragungskennlinie überlagert werden. Ferner kann die Frequenzantwort ebenfalls basierend auf der Übertragungsfunktion GC(s) basieren, die die Rückkopplung berücksichtigt.The display screen shows the frequency response of the open-loop transfer function obtained from the control information reading results. When the user presses the "Apply" button and the transfer
Der Zeitpunkt, bei welchem die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 die Steuerungskennlinie oder Motorkennlinie ändert oder die Anzeige der Frequenzantwort ändert muss nicht dann sein, wenn die „Übernehmen“-Schaltfläche gedrückt wird und kann der Zeitpunkt sein, bei welchem der Benutzer die vorgegebene Anforderung über das Eingabeformular ändert.The time at which the transfer
Die in
Die Eigenfrequenz ω0 und die Resonanzfrequenz ωP in Gleichung 3, die Frequenz ω in Gleichung 10, die Frequenz ω in Gleichung 15 und die Frequenz ω in Gleichung 16 sind Kreisfrequenzen [rad/s]. Auf der anderen Seite kann die Einheit, auch wenn die Einheit der Frequenzen, wie in dem Anzeigebildschirm in
Nachfolgendes beschreibt ein Beispiel des Betriebs, in welchem die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 die Steuerungskennlinie oder Motorkennlinie ändert, um die Übertragungskennlinie der Werkzeugmaschine zu berechnen, um die vorgegebene Anforderung zu erfüllen.The following describes an example of the operation in which the transfer
(1) Beispiel der Änderung der Positionsregelung-Proportionalverstärkung KP, um die vorgegebene Anforderung „Antwortfrequenz der Positionsregelung“ zu erfüllen(1) Example of changing the position control proportional gain K P to meet the specified requirement of “position control response frequency”
In einem Fall, in welchem der Benutzer 10 Hz als Antwortfrequenz der Positionsregelung bestimmt, ist die Kreisfrequenz für 10 Hz 10×2π(rad/s)=62,832 (rad/s). Wie unter Verwendung von Gleichung 10 beschrieben, da die Positionsregelung-Proportionalverstärkung KP gleich der Antwortfrequenz der Positionsregelung ist, wird die Positionsregelung-Proportionalverstärkung KP auf KP=10×2π=62,832 festgelegt. Um die vorgegebene Anforderung „Antwortfrequenz der Positionsregelung“ zu erfüllen, wird die Positionsregelung-Proportionalverstärkung KP, die die Steuerungskennlinie CP ist, von 30 (wie in
(2) Beispiel der Änderung der Geschwindigkeitskreisverstärkung KV zur Erfüllung der vorgegebenen Anforderung „Antwortfrequenz der Geschwindigkeitsregelung“ (im Falle der Geschwindigkeit-PI-Regelung)(2) Example of changing the speed loop gain K V to meet the specified requirement of “speed control response frequency” (in the case of speed PI control)
Die linke Seite von Gleichung 15 wird auf fc [Hz] geändert, was zu Gleichung 18 (nachfolgend als „Gleichung 18“ bezeichnet) führt.
In Gleichung 18 bleibt die Motorträgheit JM unverändert. Im Allgemeinen werden in der PI-Regelung die Geschwindigkeitssteuerung-Integralverstärkung K1 und die Geschwindigkeitssteuerung-Proportionalverstärkung K2 im Gleichgewicht eingestellt; hier verbleibt jedoch die Geschwindigkeitssteuerung-Integralverstärkung K1 unverändert. Der Benutzer kann wählen, ob entweder die Geschwindigkeitskreisverstärkung KV oder das Trägheitsverhältnis R geändert werden soll, über eine Option detaillierter Einstellungen (in
Auf diese Weise wird, um die vorgegebene Anforderung „Antwortfrequenz der Geschwindigkeitsregelung“ die Geschwindigkeitskreisverstärkung KV, die Teil der Steuerungskennlinie CV ist, von 1 auf 2,191 geändert und die Steuerungskennlinie CV wird entsprechend angepasst.In this way, in order to meet the specified requirement of “speed control response frequency”, the speed loop gain K V , which is part of the control characteristic C V , is changed from 1 to 2.191 and the control characteristic C V is adjusted accordingly.
(3) Beispiel der Änderung der Geschwindigkeitskreisverstärkung KV, um die vorgegebene Anforderung „Antwortfrequenz der Geschwindigkeitsregelung“ zu erfüllen (im Falle der Geschwindigkeit-P-Regelung)(3) Example of changing the speed loop gain K V to meet the specified requirement of “speed control response frequency” (in the case of speed-P control)
Die linke Seite von Gleichung 17 wird auf fc [Hz] geändert, was zu Gleichung 20 (nachfolgend als „Gleichung 20“ bezeichnet) führt.
In Gleichung 20 bleibt die Motorträgheit JM unverändert. Dieses Beispiel diskutiert den Fall der Erfüllung der vorgegebenen Anforderung „Antwortfrequenz der Geschwindigkeitsregelung“ (50 Hz) durch Änderung des Trägheitsverhältnisses R. Durch Lösen der Gleichung 20 nach dem Trägheitsverhältnis R wird das Trägheitsverhältnis R durch Gleichung 21 (nachfolgend als „Gleichung 21“ bezeichnet) angegeben.
Das Trägheitsverhältnis R kann einen Wert von 0 in Abwesenheit der Lastträgheit annehmen, aber kann keine negativen Werte annehmen. Daher wird unter der Annahme von R=0 und Lösen der Gleichung 20 nach KV die Geschwindigkeitskreisverstärkung KV durch Gleichung 22 (nachfolgend als „Gleichung 22“ bezeichnet) angegeben.
Auf diese Weise wird, um die vorgegebene Anforderung „Antwortfrequenz der Geschwindigkeitsregelung“ zu erfüllen, das Trägheitsverhältnis R der Motorkennlinie M1 von 1,2 auf 0 geändert und die Geschwindigkeitskreisverstärkung KV der Steuerungskennlinie CV wird von 1 auf 6,912 geändert, wodurch sowohl die Motorkennlinie M1 als auch die Steuerungskennlinie CV geändert werden.In this way, in order to meet the predetermined requirement of “speed control response frequency”, the inertia ratio R of the motor characteristic M 1 is changed from 1.2 to 0 and the speed loop gain K V of the control characteristic C V is changed from 1 to 6.912, thereby changing both the motor characteristic M 1 and the control characteristic C V.
(4) Beispiel der Änderung der Federkonstante KS, um die vorgegebene Anforderung „Eigenfrequenz der Werkzeugmaschine“ zu erfüllen(4) Example of changing the spring constant K S to meet the specified requirement “natural frequency of the machine tool”
Durch Lösen der Gleichung 3 nach der Federkonstante KS wird die Eigenfrequenz w0 durch Gleichung 23 (nachfolgend als „Gleichung 23“ bezeichnet) angegeben.
In einem Fall, in welchem die vorgegebene Anforderung eine Eigenfrequenz von 45 Hz ist, wird die Federkonstante KS, die in Gleichung 24 (nachfolgend als „Gleichung 24“ bezeichnet) repräsentiert wird, durch Gleichung 23 angegeben.
Auf diese Weise wird, um die vorgegebene Anforderung „Eigenfrequenz der Werkzeugmaschine“ zu erfüllen, die Federkonstante KS der Motorkennlinie von 6878 [Nm] (wie in
(5) Beispiel der Änderung der Federkonstante KS, um die vorgegebene Anforderung „Resonanzfrequenz zwischen der Antriebseinheit und der angetriebenen Einheit der Werkzeugmaschine“ zu erfüllen(5) Example of changing the spring constant K S to meet the specified requirement of “resonance frequency between the drive unit and the driven unit of the machine tool”
Durch Lösen der Gleichung 3 nach der Federkonstante KS wird die Resonanzfrequenz ωP durch Gleichung 25 (nachfolgend als „Gleichung 25“ bezeichnet) angegeben.
In einem Fall, in welchem die vorgegebene Anforderung eine Resonanzfrequenz von 80 Hz ist, wird die Federkonstante KS, die in Gleichung 26 (nachfolgend als „Gleichung 26“ bezeichnet) repräsentiert wird, durch Gleichung 25 angegeben.
Auf diese Weise wird die Federkonstante KS der Motorkennlinie, um die vorgegebene Anforderung „Resonanzfrequenz der Werkzeugmaschine“ zu erfüllen, von 6878 [Nm] (wie in
In den obigen Beispielen (4) und (5) wurde die Federkonstante KS geändert; stattdessen kann jedoch das Trägheitsverhältnis R geändert werden. Der Benutzer kann wählen, ob entweder die Federkonstante KS oder das Trägheitsverhältnis R geändert werden soll, über eine Option detaillierter Einstellungen (in
Die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 kann mindestens eines von der Motorträgheit, dem Trägheitsverhältnis, der Federkonstante, der Positionssteuerung-Proportionalverstärkung, der Geschwindigkeitskreisverstärkung, der Geschwindigkeitssteuerung-Integralverstärkung oder der Geschwindigkeitssteuerung-Proportionalverstärkung ändern, so dass die Übertragungskennlinie die vorgegebene Anforderung erfüllt. In einem Fall, in welchem ein Starrkörpersystemmodell, das die Lastträgheit als Motorkennlinie berücksichtigt, nicht verwendet wird (d.h., R=0), kann die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 ein Starrkörpersystemmodell verwenden, welches die Lastträgheit zu der Motorträgheit addiert, so dass die Übertragungskennlinie die vorgegebene Anforderung erfüllt. In einem Fall, in welchem ein Starrkörpersystemmodell als Motorkennlinie verwendet wird, kann die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 ein Zweiträgheitssystemmodell verwenden, welches die Motorträgheit und die Lastträgheit mit einem Federelement verbindet, so dass die Übertragungskennlinie die vorgegebene Anforderung erfüllt.The transfer
In der beschriebenen Ausführungsform können die Steuerungskennlinie und die Motorkennlinie durch Berücksichtigung von mehr Elementen verbessert werden, was zu einer höheren Präzision in den Simulationsergebnissen führt. Beispielsweise werden in der wissenschaftlichen Literatur Dämpfer (zum Dämpfen) berücksichtigt, wenn das Zweiträgheitssystemmodell zuerst hergeleitet wird. Selbst wenn die Simulationsausführungseinheit Dämpfer oder Nichtlinearität berücksichtigt, können Dämpfer oder Nichtlinearität beim Berechnen zur Änderung einer Steuerungskennlinie oder Erhalten einer Motorkennlinie in der Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit ignoriert werden. Dies rührt daher, dass Dämpfer und Nichtlinearität weniger sensibel bezüglich Frequenzkennlinien, wie beispielsweise der Antwortfrequenz, Eigenfrequenz und Resonanzfrequenz im Vergleich zu Steuerungsverstärkungen, Trägheitsverhältnissen und Federkonstanten sind.In the described embodiment, the control characteristic and motor characteristic can be improved by considering more elements, resulting in higher precision in the simulation results. For example, in scientific literature, dampers (for damping) are considered when first deriving the dual inertia system model. Even if the simulation execution unit considers dampers or nonlinearities, dampers or nonlinearities may be ignored when calculating to change a control characteristic or obtain a motor characteristic in the transfer characteristic calculation unit. This is because dampers and nonlinearities are less sensitive to frequency characteristics such as the response frequency, natural frequency, and resonance frequency compared to control gains, inertia ratios, and spring constants.
Jede Konfiguration der Bearbeitungssimulationsvorrichtung 200 ist oben beschrieben worden. Als nächstes wird das Bearbeitungssimulationsverfahren beschrieben. In der folgenden Beschreibung wird das Bearbeitungssimulationsverfahren so beschrieben, dass es unter Verwendung der Bearbeitungssimulationsvorrichtung 200 ausgeführt wird; das Verfahren kann jedoch ebenfalls an Vorrichtungen ausgeführt werden, die sich von der Bearbeitungssimulationsvorrichtung 200 unterscheiden.Each configuration of the
In Schritt S1 bezieht die Steuerungsinformation-Bezugseinheit 211 Steuerungsinformationen, die Motorinformationen und einen Steuerungsparameter umfassen. Die Motorinformationen umfassen mindestens eines von der Motorträgheit, dem Trägheitsverhältnis oder der Federkonstante, die alle von dem Motor verursacht werden. Der Steuerungsparameter umfasst beispielsweise mindestens eine von der Positionssteuerung-Proportionalverstärkung KP der Positionssteuerungseinheit, der Geschwindigkeitskreisverstärkung KV, der Geschwindigkeitssteuerung-Integralverstärkung K1 der Geschwindigkeitssteuerungseinheit oder der Geschwindigkeitssteuerung-Proportionalverstärkung K2 der Geschwindigkeitssteuerungseinheit, die in dem Motorsteuerungssystem der Steuerungseinheit 100 enthalten sind.In step S1, the control
In Schritt S2 berechnet die Motorkennlinien-Berechnungseinheit 212 die Motorkennlinie basierend auf den Motorinformationen.In step S2, the engine
In Schritt S3 berechnet die Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit 213 die Steuerungskennlinie des Motorsteuerungssystems basierend auf dem Steuerungsparameter. Schritt S3 kann vor Schritt S2 ausgeführt werden oder kann parallel zu Schritt S2 ausgeführt werden.In step S3, the control
In Schritt S4 bestimmt die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214, ob die vorgegebene Anforderung eingegeben worden ist. Wenn die Anforderung eingegeben worden ist, geht der Vorgang weiter zu Schritt S5; wenn die Anforderung nicht eingegeben worden ist, geht der Vorgang zu Schritt S6.In step S4, the transfer
In Schritt S5 ändert die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 mindestens eine von der Motorkennlinie, die von der Motorkennlinien-Berechnungseinheit 212 berechnet wird oder der Steuerungskennlinie, die von der Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit 213 berechnet wird, um die so eingegebene vorgegebene Anforderung zu erfüllen.In step S5, the transmission
In Schritt S6 berechnet die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214, wenn mindestens eine von der Motorkennlinie oder der Steuerungskennlinie in Schritt S5 geändert worden ist, die Übertragungskennlinie der Werkzeugmaschine basierend auf mindestens einer von der so geänderten Motorkennlinie oder Steuerungskennlinie. Wenn die vorgegebene Anforderung in Schritt S4 nicht eingegeben worden ist, berechnet die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit 214 die Übertragungskennlinie der Werkzeugmaschine basierend auf mindestens einer von der von der Motorkennlinien-Berechnungseinheit 212 berechneten Motorkennlinie oder der von der Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit 213 berechneten Steuerungskennlinie.In step S6, if at least one of the motor characteristics or the control characteristics has been changed in step S5, the transfer
In Schritt S7 verwendet die Simulationsausführungseinheit 220 die berechnete Übertragungsfunktion, um die Steuerung der Werkzeugmaschinen-Steuerungsvorrichtung 100 basierend auf dem Bearbeitungsprogramm, das Verhalten des Motors als Antriebseinheit und der angetriebenen Einheit und die Regelung der Steuerungseinheit 100 basierend auf den Positionsinformationen der Antriebseinheit und der angetriebenen Einheit zu simulieren, und gibt die Positionsinformationen jeder Welle als Simulationsergebnis aus.In step S7, the
Die Komponenten der in der obigen Ausführungsform beschriebenen Bearbeitungssimulationsvorrichtung können mit Hardware, Software oder einer Kombination davon implementiert werden. Eine Implementierung mit Software bedeutet eine Implementierung mit einem Computer, der ein Programm liest und ausführt. Um die Komponenten der Bearbeitungssimulationsvorrichtung mit Software oder einer Kombination davon zu implementieren, umfasst die Bearbeitungssimulationsvorrichtung einen Prozessor, wie beispielsweise eine CPU (Central Processing Unit). Der Prozessor fungiert als Ausführungseinheit. Die Bearbeitungssimulationsvorrichtung kann eine Vielzahl Prozessoren umfassen, die parallel arbeiten. Die Bearbeitungssimulationsvorrichtung umfasst ebenfalls Hilfsspeichervorrichtungen, wie beispielsweise HDDs (Hard Disk Drives), die verschiedene Programme speichern, wie beispielsweise Anwendungssoftware oder ein OS (Operating System), und Hauptspeichervorrichtungen, wie beispielsweise RAM (Random Access Memory), die das Programm und Daten speichern, die temporär an dem Programm während der Ausführung der Funktionen und Tätigkeiten der Bearbeitungssimulationsvorrichtung erforderlich sind, wie in den
Mit der Bearbeitungssimulationsvorrichtung liest der Prozessor die Anwendungssoftware oder OS von der Hilfsspeichervorrichtung, lädt die gelesene Anwendungssoftware oder OS in die Hauptspeichervorrichtung und führt eine Berechnung basierend auf der Anwendungssoftware oder OS aus. Verschiedene Hardwarekomponenten der Bearbeitungssimulationsvorrichtung werden basierend auf den Berechnungsergebnissen gesteuert. Auf diese Weise werden die funktionalen Blöcke der vorliegenden Ausführungsform implementiert.With the machining simulation device, the processor reads the application software or OS from the auxiliary storage device, loads the read application software or OS into the main storage device, and executes a calculation based on the application software or OS. Various hardware components of the machining simulation device are controlled based on the calculation results. In this way, the functional blocks of the present embodiment are implemented.
Die Komponenten der Bearbeitungssimulationsvorrichtung können ebenfalls durch Hardware implementiert werden, wie beispielsweise elektronische Schaltungen. Wenn die Bearbeitungssimulationsvorrichtung durch Hardware konfiguriert wird, können manche oder alle Funktionen der Komponenten der Bearbeitungssimulationsvorrichtung durch ICs (integrierte Schaltungen) wie ASICs (anwendungsspezifische integrierte Schaltungen), Gate-Arrays, FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) oder CPLDs (Complex Programmable Logic Devices) implementiert werden.The components of the machining simulation device can also be implemented in hardware, such as electronic circuits. When the machining simulation device is configured in hardware, some or all of the functions of the machining simulation device components can be implemented in ICs (integrated circuits) such as ASICs (application-specific integrated circuits), gate arrays, FPGAs (field-programmable gate arrays), or CPLDs (complex programmable logic devices).
Programme können gespeichert und einem Computer unter Verwendung verschiedener Typen nichtflüchtiger computerlesbarer Medien zugeführt werden. Nichtflüchtige computerlesbare Medien umfassen verschiedene Typen materieller Speichermedien. Beispiele nichtflüchtiger computerlesbarer Medien umfassen magnetische Speichermedien (wie beispielsweise Festplattenlaufwerke), magneto-optische Speichermedien (z. B. magneto-optische Scheiben), CD-ROMs (Read Only Memory), CD-Rs, CD-RWs und Halbleiterspeicher (z. B. Mask-ROMs, PROMs (Programmable ROMs), EPROMs (Erasable PROMs), Flash-ROMs und RAM (Random Access Memory)). Programme können ebenfalls dem Computer unter Verwendung verschiedener Typen transitorischer computerlesbarer Medien zugeführt werden.Programs can be stored and delivered to a computer using various types of non-transitory computer-readable media. Non-transitory computer-readable media encompasses various types of tangible storage media. Examples of non-transitory computer-readable media include magnetic storage media (such as hard disk drives), magneto-optical storage media (such as magneto-optical discs), CD-ROMs (Read Only Memory), CD-Rs, CD-RWs, and semiconductor memories (such as mask ROMs, PROMs (Programmable ROMs), EPROMs (Erasable PROMs), flash ROMs, and RAM (Random Access Memory)). Programs can also be delivered to the computer using various types of transitory computer-readable media.
Der Effekt der Bearbeitungssimulationsvorrichtung und des Bearbeitungssimulationsverfahrens, wie in der obigen Ausführungsform beschrieben, besteht darin, dass die Übertragungsfunktion der Werkzeugmaschine erhalten werden kann, ohne die Sammlung von Daten während eines Testbetriebs der Werkzeugmaschine zu erfordern und ohne Spezialwissen zur Berechnung der Übertragungskennlinie zu erfordern.The effect of the machining simulation apparatus and the machining simulation method as described in the above embodiment is that the transfer function of the machine tool can be obtained without requiring the collection of data during a test operation of the machine tool and without requiring specialized knowledge for calculating the transfer characteristic.
Auch wenn die vorliegende Offenbarung oben beschrieben worden ist, ist die vorliegende Offenbarung nicht auf die einzelnen Ausführungsformen und Modifikationen, wie oben beschrieben, beschränkt. Verschiedene Hinzufügungen, Ersetzungen, Modifikationen, Teillöschungen, etc. können vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen, wie aus dem Gehalt der Ansprüche und ihrer Äquivalente abgeleitet. Die Ausführungsformen und Modifikationen können ebenfalls in Kombination implementiert werden. Beispielsweise sind die Reihenfolge der Vorgänge und die Abfolge der Verarbeitung als Beispiel in den obigen Ausführungsformen beschrieben und nicht darauf beschränkt.Although the present disclosure has been described above, the present disclosure is not limited to the individual embodiments and modifications described above. Various additions, replacements, modifications, partial deletions, etc. can be made without departing from the scope of the disclosure, as understood from the content of the claims and their equivalents. The embodiments and modifications can also be implemented in combination. For example, the order of operations and the sequence of processing are described as examples in the above embodiments and are not limited thereto.
Die folgenden zusätzlichen Anmerkungen sind ferner bezüglich der obigen Ausführungsform offenbart:The following additional notes are further disclosed with respect to the above embodiment:
(Zusatzbemerkung 1)(Additional note 1)
Eine Bearbeitungssimulationsvorrichtung (200) umfasst: eine Übertragungskennlinien-Erzeugungseinheit (210), die eine Übertragungskennlinie einer Werkzeugmaschine erzeugt; und eine Simulationsausführungseinheit (220), die ein Verhalten der Werkzeugmaschine unter Verwendung der Übertragungskennlinie simuliert, wobei die Übertragungskennlinien-Erzeugungseinheit umfasst: eine Steuerungsinformation-Bezugseinheit (211), die Steuerungsinformationen, die Motorinformationen der Werkzeugmaschine und einen Steuerungsparameter eines Motorsteuerungssystems der Werkzeugmaschine umfassen, von einer Speichereinheit bezieht; eine Motorkennlinien-Berechnungseinheit (212), die eine Motorkennlinie basierend auf den Motorinformationen berechnet; eine Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit (213), die eine Steuerungskennlinie des Motorsteuerungssystems basierend auf dem Steuerungsparameter berechnet; und eine Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit (214), die die Übertragungskennlinie, die eine vorgegebene Anforderung erfüllt, basierend auf der Motorkennlinie und der Steuerungskennlinie berechnet, wobei die vorgegebene Anforderung mindestens eine einer Antwortfrequenz einer Positionsregelung, einer Antwortfrequenz einer Geschwindigkeitsregelung, einer Eigenfrequenz der Werkzeugmaschine oder einer Resonanzfrequenz zwischen einer Antriebseinheit und einer angetriebenen Einheit der Werkzeugmaschine umfasst.A machining simulation device (200) comprises: a transmission characteristic generation unit (210) that generates a transmission characteristic of a machine tool; and a simulation execution unit (220) that simulates a behavior of the machine tool using the transmission characteristic, wherein the transmission characteristic generation unit comprises: a control information acquisition unit (211) that acquires control information including motor information of the machine tool and a control parameter of a motor control system of the machine tool from a storage unit; a motor characteristic calculation unit (212) that calculates a motor characteristic based on the motor information; a control characteristic calculation unit (213) that calculates a control characteristic of the motor control system based on the control parameter; and a transfer characteristic calculation unit (214) that calculates the transfer characteristic that satisfies a predetermined requirement based on the motor characteristic and the control characteristic, wherein the predetermined requirement includes at least one of a response frequency of a position control, a response frequency of a speed control, a natural frequency of the machine tool, or a resonance frequency between a drive unit and a driven unit of the machine tool.
(Zusatzbemerkung 2)(Additional note 2)
Die Bearbeitungssimulationsvorrichtung, wie in der Zusatzbemerkung 1 beschrieben, in der die Motorinformationen mindestens eines von einer Motorträgheit, einem Trägheitsverhältnis oder einer Federkonstante umfassen, die alle von einem Motor verursacht werden, und der Steuerungsparameter mindestens eines von einer Positionssteuerung-Proportionalverstärkung, Geschwindigkeitskreisverstärkung, Geschwindigkeitssteuerung-Integralverstärkung oder Geschwindigkeitssteuerung-Proportionalverstärkung umfasst.The machining simulation device as described in
(Zusatzbemerkung 3)(Additional note 3)
Die Bearbeitungssimulationsvorrichtung, wie in der Zusatzbemerkung 2 beschrieben, in der die Motorkennlinien-Berechnungseinheit (212) die Motorkennlinie unter Verwendung eines Starrkörpersystemmodells berechnet, das die Motorträgheit und das Trägheitsverhältnis umfasst oder eines Zweiträgheitssystemmodells, das die Motorträgheit, das Trägheitsverhältnis und die Federkonstante umfasst.The machining simulation apparatus as described in Supplementary Note 2, in which the motor characteristic calculation unit (212) calculates the motor characteristic using a rigid body system model including the motor inertia and the inertia ratio or a dual inertia system model including the motor inertia, the inertia ratio, and the spring constant.
(Zusatzbemerkung 4)(Additional note 4)
Die Bearbeitungssimulationsvorrichtung, wie in der Zusatzbemerkung 2 beschrieben, in der die Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit (213) die Steuerungskennlinie unter Verwendung der Positionssteuerung-Proportionalverstärkung berechnet.The machining simulation device as described in Supplementary Note 2, in which the control characteristic calculation unit (213) calculates the control characteristic using the position control proportional gain.
(Zusatzbemerkung 5)(Additional note 5)
Die Bearbeitungssimulationsvorrichtung, wie in der Zusatzbemerkung 2 beschrieben, in der die Steuerungskennlinien-Berechnungseinheit (213) die Steuerungskennlinie unter Verwendung der Geschwindigkeitskreisverstärkung oder der Geschwindigkeitskreisverstärkung, der Geschwindigkeitssteuerung-Integralverstärkung und der Geschwindigkeitssteuerung-Proportionalverstärkung berechnet.The machining simulation device as described in Supplementary Note 2, in which the control characteristic calculation unit (213) calculates the control characteristic using the speed loop gain or the speed loop gain, the speed control integral gain, and the speed control proportional gain.
(Zusatzbemerkung 6)(Additional note 6)
Die Bearbeitungssimulationsvorrichtung, wie in der Zusatzbemerkung 1 beschrieben, in der die Motorkennlinie mindestens eines von der Motorträgheit, einem Trägheitsverhältnis oder einer Federkonstante umfasst, die Steuerungskennlinie mindestens eines von einer Positionssteuerung-Proportionalverstärkung, Geschwindigkeitskreisverstärkung, Geschwindigkeitssteuerung-Integralverstärkung oder Geschwindigkeitssteuerung-Proportionalverstärkung umfasst, und die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit (214) mindestens eines von der Motorträgheit, dem Trägheitsverhältnis, der Federkonstante, der Positionssteuerung-Proportionalverstärkung, der Geschwindigkeitskreisverstärkung, der Geschwindigkeitssteuerung-Integralverstärkung oder der Geschwindigkeitssteuerung-Proportionalverstärkung ändert, sodass die Übertragungskennlinie die vorgegebene Anforderung erfülltThe machining simulation device as described in
(Zusatzbemerkung 7)(Additional note 7)
Die Bearbeitungssimulationsvorrichtung, wie in der Zusatzbemerkung 1 beschrieben, in der die Übertragungskennlinien-Berechnungseinheit (214) eine Lastträgheit zu der Motorträgheit addiert, oder die Motorträgheit und die Lastträgheit mit einem Federelement verbindet, so dass die Übertragungskennlinie die vorgegebene Anforderung erfüllt.The machining simulation device as described in
(Zusatzbemerkung 8)(Additional note 8)
Ein Bearbeitungssimulationsverfahren, das bewirkt, dass ein Computer eine Verarbeitung ausführt, die umfasst: Berechnen einer Motorkennlinie basierend auf Motorinformationen einer Werkzeugmaschine; Berechnen einer Steuerungskennlinie eines Motorsteuerungssystems basierend auf einem Steuerungsparameter des Motorsteuerungssystems der Werkzeugmaschine; Berechnen einer Übertragungskennlinie, die eine vorgegebene Anforderung erfüllt, basierend auf der Motorkennlinie und der Steuerungskennlinie; und Simulieren eines Verhaltens der Werkzeugmaschine unter Verwendung der Übertragungskennlinie, wobei die vorgegebene Anforderung mindestens eine einer Antwortfrequenz einer Positionsregelung, einer Antwortfrequenz einer Geschwindigkeitsregelung, einer Eigenfrequenz der Werkzeugmaschine oder einer Resonanzfrequenz zwischen einer Antriebseinheit und einer angetriebenen Einheit der Werkzeugmaschine umfasst.A machining simulation method that causes a computer to perform processing that includes: calculating a motor characteristic based on motor information of a machine tool; calculating a control characteristic of a motor control system based on a control parameter of the motor control system of the machine tool; calculating a transfer characteristic that satisfies a predetermined requirement based on the motor characteristic and the control characteristic; and simulating a behavior of the machine tool using the transfer characteristic, wherein the predetermined requirement includes at least one of a response frequency of a position control, a response frequency of a speed control, a natural frequency of the machine tool, or a resonance frequency between a drive unit and a driven unit of the machine tool.
Erläuterung der BezugszeichenExplanation of reference symbols
- 1010
- BearbeitungssimulationssystemMachining simulation system
- 100100
- Werkzeugmaschinen-SteuerungsvorrichtungMachine tool control device
- 101101
- Speichereinheitstorage unit
- 200200
- BearbeitungssimulationsvorrichtungMachining simulation device
- 210210
- Übertragungskennlinien-ErzeugungseinheitTransfer characteristic generation unit
- 211211
- Steuerungsinformation-BezugseinheitControl information reference unit
- 212212
- Motorkennlinien-BerechnungseinheitEngine characteristic curve calculation unit
- 213213
- Steuerungskennlinien-BerechnungseinheitControl characteristic calculation unit
- 214214
- Übertragungskennlinien-BerechnungseinheitTransfer characteristic calculation unit
- 220220
- SimulationsausführungseinheitSimulation execution unit
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES CONTAINED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
- JP 2001-051708 [0006]JP 2001-051708 [0006]
- WO 2002/003155 [0006]WO 2002/003155 [0006]
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- JP 2019-152936 [0006]JP 2019-152936 [0006]
Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature
- A Study on Low Frequency Vibration Suppression Control by Two-Mass System Model for Feed Axes of NC Machine Tools“, Yasusuke Iwashita et al., Journal of the Japan Society for Precision Engineering, Vol. 82, No. 8, 2016 [0020]A Study on Low Frequency Vibration Suppression Control by Two-Mass System Model for Feed Axes of NC Machine Tools,” Yasusuke Iwashita et al., Journal of the Japan Society for Precision Engineering, Vol. 82, No. 8, 2016 [0020]
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